RU114425U1

RU114425U1 - SHELL-TUBE REACTOR

Info

Publication number: RU114425U1
Application number: RU2011140682/05U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Наталия Александровна Дулькина; Юлия Валерьевна Аристова; Сергей Алексеевич Фоменков; Кристина Сергеевна Марковская
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2012-03-27

Abstract

Кожухотрубный реактор для проведения неизотермических реакций, состоящий из корпуса с пучком цилиндрических труб, закрепленных в трубных решетках и снабженных симметрично установленными на внутренней поверхности пластинами треугольной формы с основанием на входе потока реакционной массы в трубу, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, отличающийся тем, что каждая пластина снабжена вертикальным ребром трапецеидальной формы с большим основанием на входе потока реакционной массы в трубу и симметрично установленным на внутренней поверхности пластины. A shell-and-tube reactor for carrying out non-isothermal reactions, consisting of a body with a bundle of cylindrical tubes fixed in tube sheets and equipped with triangular plates symmetrically installed on the inner surface with a base at the inlet of the reaction mass flow into the tube, and branch pipes for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, characterized in that each plate is provided with a vertical trapezoidal rib with a large base at the inlet of the flow of the reaction mass into the tube and symmetrically mounted on the inner surface of the plate.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к реакторам для проведения неизотермических каталитических и некаталитических реакций и может найти применение в химической, нефтехимической, топливо-энергетической, атомной и других отраслях промышленности, связанных с выделением, поглощением и отводом тепла или его подводом в реактор.The proposed technical solution relates to reactors for conducting nonisothermal catalytic and non-catalytic reactions and can be used in chemical, petrochemical, fuel, energy, nuclear and other industries related to the generation, absorption and removal of heat or its supply to the reactor.

Известен реактор с пучком труб для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса и трубного пучка, закрепленного в трубных решетках. Каждая труба трубного пучка выполнена цилиндрической, то есть равного диаметра по всей высоте. Для равномерного распределения теплоносителя по всему поперечному сечению межтрубного пространства в нем установлены распределительные пластины с проходным сечением, изменяющимся в радиальном направлении. (Патент ФРГ №2903582, B01J 8/06, 1980 г.).Known reactor with a tube bundle for carrying out catalytic nonisothermal reactions in the gas phase, which consists of a housing and a tube bundle fixed in tube sheets. Each tube bundle tube is made cylindrical, that is, of equal diameter over the entire height. For uniform distribution of the coolant over the entire cross section of the annulus, distribution plates are installed in it with a bore that varies in the radial direction. (German Patent No. 2903582, B01J 8/06, 1980).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится невысокая скорость теплопередачи в цилиндрических трубах трубного пучка, что требует специальных внешних устройств, изменяющих расход и температуру реакционной массы на входе в зависимости от ее температуры внутри труб трубного пучка, и увеличивает сложность проведения неизотермических процессов.The reasons that impede the achievement of the desired technical result include the low heat transfer rate in the cylindrical tubes of the tube bundle, which requires special external devices that change the flow rate and temperature of the reaction mass at the inlet depending on its temperature inside the tubes of the tube bundle, and increases the complexity of conducting nonisothermal processes.

Известен также кожухотрубный реактор для проведения неизотермических реакций, состоящий из корпуса с пучком труб, закрепленных в трубных решетках, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждая труба трубного пучка выполнена из трех или более трубок равной длины, диаметр которых увеличивается по ходу потока реакционной массы или конически расширяющейся по ходу потока реакционной массы, а также снабжена размещенными на ее наружной поверхности ребрами с высотой, уменьшающейся по ходу потока реакционной массы и наружным диаметром, равным диаметру трубы на выходе (Авт. св. СССР №1088781, Кожухотрубный реактор, B01J 19/00, 1984 г.).A shell-and-tube reactor for conducting nonisothermal reactions is also known, consisting of a body with a tube bundle fixed in tube sheets and nozzles for entering and exiting the reaction mass and coolant, with each tube bundle tube made of three or more tubes of equal length, the diameter of which increases along the flow of the reaction mass or conically expanding along the flow of the reaction mass, and is also equipped with ribs placed on its outer surface with a height decreasing along the flow of the reaction mass and an outer diameter equal to the diameter of the pipe at the outlet (Aut. St. USSR No. 1088781, Shell and tube reactor, B01J 19/00, 1984).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность теплопередачи таких секционных труб на входе в реактор, где тепловыделение или теплопоглощение за счет реакции наибольшие.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the insufficient heat transfer intensity of such sectional pipes at the inlet of the reactor, where the heat release or heat absorption due to the reaction is greatest.

Наиболее близким техническим решением по совокупности общих признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является кожухотрубный реактор для проведения неизотермических реакций, состоящий из корпуса с пучком труб, закрепленных в трубных решетках, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждая труба трубного пучка выполнена цилиндрической и снабжена симметрично установленными на внутренней поверхности пластинами треугольной формы с основанием у нижнего торца. (Патент на полезную модель РФ №106140, B01J 8/00, 2011 г.).The closest technical solution for the totality of common features to the claimed object and adopted as a prototype is a shell-and-tube reactor for conducting nonisothermal reactions, consisting of a body with a tube bundle fixed in tube sheets, and nozzles for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, each pipe the tube bundle is cylindrical and provided with triangular-shaped plates symmetrically mounted on the inner surface with a base at the lower end. (Patent for utility model of the Russian Federation No. 106140, B01J 8/00, 2011).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность теплопередачи поверхности труб, особенно на входе реакционной массы в трубы трубного пучка, где тепловыделение или теплопоглощение за счет протекания химической реакции наибольшие.The reasons that impede the achievement of the desired technical result include the insufficient intensity of heat transfer to the pipe surface, especially at the inlet of the reaction mass into the tube bundle pipes, where the heat release or heat absorption due to the chemical reaction are greatest.

Техническим результатом предлагаемого кожухотрубного реактора является интенсификация процесса теплопередачи на входе реакционной массы за счет увеличения поверхности теплоотдачи внутри каждой трубы.The technical result of the proposed shell-and-tube reactor is the intensification of the heat transfer process at the inlet of the reaction mass by increasing the heat transfer surface inside each pipe.

Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе для проведения неизотермических реакций, состоящем из корпуса с пучком цилиндрических труб, закрепленных в трубных решетках и снабженных симметрично установленными на внутренней поверхности пластинами треугольной формы с основанием на входе потока реакционной массы в трубу, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждая пластина снабжена вертикальным ребром трапецеидальной формы с большим основанием на входе потока реакционной массы в трубу и симметрично установленным на внутренней поверхности пластины.The stated technical result is achieved in that in a shell-and-tube reactor for conducting nonisothermal reactions, consisting of a body with a bundle of cylindrical pipes fixed in tube sheets and equipped with triangular-shaped plates symmetrically mounted on the inner surface with a base at the inlet of the reaction mass into the pipe, and nozzles for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, with each plate provided with a vertical trapezoidal rib with a large base at the inlet of the flow p promotional mass tube and symmetrically mounted on the inner surface of the plate.

Снабжение каждой пластины вертикальным ребром увеличивает поверхность теплоотдачи внутри труб, где протекает экзо- или эндотермическая реакция, что обеспечивает повышение теплоотвода в экзотермических реакциях или теплоподвода в эндотермических и в целом увеличивает интенсивность теплопередачи.The supply of each plate with a vertical edge increases the heat transfer surface inside the pipes where the exothermic or endothermic reaction occurs, which ensures an increase in heat dissipation in exothermic reactions or heat dissipation in endothermic ones and generally increases the heat transfer intensity.

Выполнение ребер в виде трапеций с основанием на входе потока реакционной массы в трубу позволяет создавать теплопередающую поверхность внутри труб, постепенно уменьшающуюся от входа к выходу реакционной массы с наибольшей теплопередающей поверхностью у входа реакционной массы в трубы, где тепловыделение или теплопоглощение за счет химической реакции наибольшие, и с наименьшей теплопередающей поверхностью у выхода реакционной массы из труб трубного пучка, где реакция затухает и тепловыделение или теплопоглощение наименьшие, и поверхность теплоотдачи может быть ограничена поверхностью самой трубы без ее оребрения, что обеспечивает выравнивание температуры по объему реакционной массы в трубах и в конечном счете увеличивает интенсивность теплопередачи.The implementation of the ribs in the form of trapezoid with a base at the inlet of the reaction mass flow into the pipe allows you to create a heat transfer surface inside the pipes, gradually decreasing from the entrance to the exit of the reaction mass with the largest heat transfer surface at the inlet of the reaction mass into the pipes, where the heat release or heat absorption due to the chemical reaction is greatest and with the smallest heat transfer surface at the exit of the reaction mass from the tubes of the tube bundle, where the reaction decays and the heat release or heat absorption are the smallest, and The heat transfer rate can be limited by the surface of the pipe itself without fins, which ensures temperature equalization with respect to the volume of the reaction mass in the pipes and ultimately increases the heat transfer rate.

Симметричная установка ребер на внутренней поверхности пластин позволяет равномерно по сечению труб распределять боковые теплопередающие поверхности ребер по сечению труб, а значит, равномерно отводить или подводить тепло к реакционной массе, что предотвращает термический перегрев или переохлаждение реакционной массы и зерен катализатора внутри труб и увеличивает в общем скорость теплопередачи.The symmetrical installation of the ribs on the inner surface of the plates makes it possible to evenly distribute the lateral heat transfer surfaces of the ribs along the cross-section of the pipes, and therefore, evenly remove or supply heat to the reaction mass, which prevents thermal overheating or supercooling of the reaction mass and catalyst grains inside the pipes and increases in general heat transfer rate.

Таким образом, дополнительная вертикальная симметричная установка ребер трапецеидальной формы на каждой пластине с основанием на входе потока реакционной массы позволяет увеличить поверхность теплопередачи на входе в трубы трубного пучка, где тепловыделение или теплопоглощение за счет химической реакции наибольшие и постепенно уменьшать эту теплопередающую поверхность ребер от входа к выходу реакционной массы из кожухотрубного реактора и выровнять температуру по объему реакционной массы, что приводит к увеличению скорости теплообмена и интенсификации теплопередачи.Thus, an additional vertical symmetric installation of trapezoidal ribs on each plate with a base at the inlet of the reaction mass allows increasing the heat transfer surface at the inlet to the tube bundle, where the heat release or heat absorption due to the chemical reaction is greatest and gradually reduce this heat transfer surface of the ribs from the entrance to the exit of the reaction mass from the shell-and-tube reactor and equalize the temperature with the volume of the reaction mass, which leads to an increase in the rate of heat Names and intensification of heat transfer.

На фиг.1 изображен общий вид кожухотрубного реактора с цилиндрическими трубами в трубном пучке, на фиг.2 - вид А сверху на цилиндрическую трубу с установленными в ней пластинами треугольной формы с основанием на входе реакционной массы и вертикальными ребрами трапецеидальной формы, с большим основанием на входе потока реакционной массы в трубы и симметрично установленными на каждой пластине, на фиг.3 - фронтальный вид на треугольную пластину и вертикальное ребро, на фиг.4 - вид сбоку на треугольную пластину и вертикальное ребро.Figure 1 shows a General view of a shell-and-tube reactor with cylindrical pipes in a tube bundle, Figure 2 is a top view of a cylindrical pipe with triangular-shaped plates installed in it with a base at the inlet of the reaction mass and vertical trapezoidal fins, with a large base on the inlet of the flow of the reaction mass into the pipes and symmetrically mounted on each plate, figure 3 is a front view of a triangular plate and a vertical rib, figure 4 is a side view of a triangular plate and a vertical rib.

Кожухотрубный реактор состоит из кожуха 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубков входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены цилиндрические трубы 7 трубного пучка. Внутри каждой трубы 7 симметрично установлены пластины 8 треугольной формы с основанием на входе реакционной массы и засыпаны зерна катализатора 9.The shell-and-tube reactor consists of a casing 1 with nozzles of the inlet 2 and outlet 3 of the coolant in the annulus, nozzles of the inlet 4 and outlet 5 of the reaction mass, tube sheets 6, in which cylindrical tubes 7 of the tube bundle are fixed. Inside each tube 7 there are symmetrically mounted triangular-shaped plates 8 with a base at the inlet of the reaction mass and catalyst grains 9 are filled up.

На каждой пластине 8 симметрично вертикально установлены ребра 10 трапецеидальной формы с большим основанием на входе реакционной массы в трубы 7.On each plate 8, trapezoidal ribs 10 are mounted symmetrically vertically with a large base at the inlet of the reaction mass into the pipes 7.

Кожухотрубный реактор работает следующим образом.The shell-and-tube reactor operates as follows.

Исходный поток реакционной массы подается по патрубку 4 в цилиндрические трубы 7 трубного пучка. На входе в трубы 7, где концентрация реагирующих компонентов в сырье наибольшая, выделение тепла в экзотермической реакции или его поглощение в эндотермической реакции наибольшие.The initial flow of the reaction mass is supplied through pipe 4 to cylindrical tubes 7 of the tube bundle. At the entrance to the pipe 7, where the concentration of the reacting components in the feed is the highest, the heat release in the exothermic reaction or its absorption in the endothermic reaction is greatest.

Однако, на входе в трубы 7 площадь поверхности трапецеидальных ребер 10 наибольшая, а значит, наибольший поток тепловой энергии будет отводиться от реакционной массы через стенку труб 7 к хладагенту в межтрубное пространство при экзотермической реакции или подводиться к реакционной массе от теплоносителя через стенку труб 7 и боковую поверхность ребер 10 при эндотермической реакции.However, at the entrance to the pipes 7, the surface area of the trapezoidal ribs 10 is the largest, which means that the largest flow of thermal energy will be diverted from the reaction mass through the pipe wall 7 to the refrigerant in the annular space during an exothermic reaction or be supplied to the reaction mass from the coolant through the pipe wall 7 and the lateral surface of the ribs 10 during an endothermic reaction.

По мере продвижения потока реакционной массы от входа к выходу площадь боковых теплопередающих поверхностей ребер 10 уменьшается. Однако и тепловыделение в экзотермической или теплопоглощение в эндотермической реакции также уменьшается за счет уменьшения концентрации реагирующих компонентов, а значит и самой скорости реакции.As the flow of the reaction mass moves from inlet to outlet, the area of the lateral heat transfer surfaces of the ribs 10 decreases. However, the heat release in exothermic or heat absorption in the endothermic reaction also decreases due to a decrease in the concentration of reacting components, and hence the reaction rate itself.

Продукты реакции выходят из корпуса 1 через выходной патрубок 5. Теплоноситель или хладагент поступает в межтрубное пространство по патрубку 2, а выходит по патрубку 3. Симметричная вертикальной установка на внутренней поверхности каждой пластины ребер трапецеидальной формы с большим основанием на входе потока реакционной массы позволяет выравнивать профиль температур по высоте труб реактора даже для сильно экзо- или эндотермических реакций, снизить их абсолютное значение на 6-12% предотвратить термическую деструкцию продуктов реакции и.зерен катализатора, а главное увеличивает интенсивность теплопередачи через поверхности труб и пластин трапецеидальной формы.The reaction products exit the housing 1 through the outlet pipe 5. The coolant or refrigerant enters the annulus through the pipe 2, and leaves the pipe 3. The symmetrical vertical installation of trapezoidal ribs on the inner surface of each plate with a large base at the inlet of the reaction mass allows alignment of the profile temperatures along the height of the reactor tubes even for strongly exothermic or endothermic reactions, reduce their absolute value by 6-12% to prevent thermal degradation of the reaction products and Catalyst grains, and most importantly, increase the intensity of heat transfer through the surfaces of pipes and trapezoidal plates.

Claims

A shell-and-tube reactor for conducting nonisothermal reactions, consisting of a body with a bundle of cylindrical pipes fixed in tube sheets and equipped with triangular-shaped plates symmetrically mounted on the inner surface with a base at the inlet of the reaction mass into the pipe, and nozzles for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, characterized in that each plate is equipped with a vertical trapezoidal rib with a large base at the inlet of the reaction mass flow into the pipe and symmetrically installed ennym on the inner surface of the plate.